El material que cae en un agujero negro arroja rayos X al espacio, y ahora, por primera vez, el Observatorio de Rayos X XMM-Newton de la ESA ha utilizado los ecos reverberantes de esta radiación para mapear el comportamiento dinámico y el entorno de un agujero negro.

La mayoría de los agujeros negros son demasiado pequeños en el cielo para que podamos resolver su entorno inmediato, pero aún podemos explorar estos objetos misteriosos observando cómo se comporta la materia a medida que se acerca y cae en ellos.

A medida que el material gira en espiral hacia un agujero negro, se calienta y emite rayos X que, a su vez, hacen eco y reverberan a medida que interactúan con el gas cercano. Estas regiones del espacio están muy distorsionadas y deformadas debido a la naturaleza extrema y la gravedad aplastante del agujero negro.

Por primera vez, los investigadores han utilizado a XMM-Newton para rastrear estos ecos de luz y mapear los alrededores de un agujero negro en el núcleo de una galaxia activa. Llamada IRAS 13224–3809, la galaxia anfitriona del agujero negro es una de las fuentes de rayos X más variables en el cielo, sufriendo fluctuaciones muy grandes y rápidas en el brillo de un factor de 50 en pocas horas.

"Todos están familiarizados con la forma en que el eco de su voz suena diferente cuando se habla en un salón en comparación con una catedral; esto se debe simplemente a la geometría y los materiales de las habitaciones, lo que hace que el sonido se comporte y rebote de manera diferente", explica William Alston de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, autor principal del nuevo estudio.

“De manera similar, podemos observar cómo se propagan los ecos de la radiación de rayos X en las proximidades de un agujero negro para mapear la geometría de una región y el estado de un grupo de materia antes de que desaparezca en la singularidad. Es un poco como la ubicación del eco cósmico".

Como la dinámica del gas que cae está fuertemente ligada a las propiedades del agujero negro, William y sus colegas también pudieron determinar la masa y el giro del agujero negro central de la galaxia al observar las propiedades de la materia a medida que giraba en espiral hacia adentro.

El material forma un disco a medida que cae en el agujero negro. Sobre este disco se encuentra una región de electrones muy calientes, con temperaturas de alrededor de mil millones de grados, llamada corona. Si bien los científicos esperaban ver los ecos de reverberación que usaban para mapear la geometría de la región, también detectaron algo inesperado: la corona misma cambió de tamaño increíblemente rápido, en cuestión de días.

"A medida que cambia el tamaño de la corona, también lo hace el eco de la luz, un poco como si el techo de la catedral se moviera hacia arriba y hacia abajo, cambiando la forma en que suena el eco de su voz", agrega William.

"Al rastrear los ecos de la luz, pudimos rastrear esta corona cambiante y, lo que es aún más emocionante, obtuvimos valores mucho mejores para la masa y el giro del agujero negro de lo que podríamos haber determinado si la corona no cambiara de tamaño". Sabemos que la masa del agujero negro no puede fluctuar, por lo que cualquier cambio en el eco se deberse al entorno gaseoso”.

El estudio utilizó la observación más larga de un agujero negro acreciente tomado con XMM-Newton, recolectó más de 16 órbitas de naves espaciales en 2011 y 2016 y totalizó 2 millones de segundos, un poco más de 23 días.

Esto, combinado con la gran variabilidad a corto plazo del agujero negro en sí, permitió a William y sus colaboradores modelar los ecos de manera integral durante escalas de tiempo de un día.

La región explorada en este estudio no es accesible a observatorios como el Event Horizon Telescope, que logró tomar la primera imagen de gas en las inmediaciones de un agujero negro, el que se encuentra en el centro de la galaxia masiva cercana M87. El resultado, basado en observaciones realizadas con radiotelescopios en todo el mundo en 2017 y publicado el año pasado, se convirtió inmediatamente en una sensación global.
 
"La imagen del Event Horizon Telescope se obtuvo utilizando un método conocido como interferometría, una técnica maravillosa que solo puede funcionar en los muy pocos agujeros negros supermasivos más cercanos a la Tierra, como los de M87 y en nuestra galaxia, la Vía Láctea, porque el tamaño aparente en el cielo es lo suficientemente grande como para que este método funcione", dice el coautor Michael Parker, investigador de la ESA en el Centro Europeo de Astronomía Espacial cerca de Madrid, España.

"Por el contrario, nuestro enfoque puede sondear los cientos de agujeros negros supermasivos más cercanos que consumen activamente materia, y este número aumentará significativamente con el lanzamiento del satélite Athena de la ESA".
 
Caracterizar los entornos que rodean los agujeros negros es un objetivo científico fundamental para la misión Athena de la ESA, cuyo lanzamiento está programado para principios de la década de 2030 y revelará los secretos del universo caliente y enérgico. 
Medir la masa, la rotación y las tasas de acreción de una gran muestra de agujeros negros es clave para comprender la gravedad en todo el cosmos.

Además, dado que los agujeros negros supermasivos están fuertemente vinculados a las propiedades de su galaxia anfitriona, estos estudios también son clave para ampliar nuestro conocimiento sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias con el tiempo.

"El gran conjunto de datos proporcionado por XMM-Newton fue esencial para este resultado", dice Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA.

“El mapeo de reverberación es una técnica emocionante que promete revelar mucho sobre los agujeros negros y el Universo más amplio en los próximos años. Espero que XMM-Newton realice campañas de observación similares para varias galaxias más activas en los próximos años, para que el método esté completamente establecido cuando Athena se lance”.